FR2574180A1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ANGLE OF CONTACT OF A DROP OF LIQUID PLACED ON A HORIZONTAL SOLID OR LIQUID SUBSTRATE - Google Patents
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Abstract
UN SUPPORT 56 EST PROPRE A MAINTENIR HORIZONTAL UN SUBSTRAT 10 SUR LEQUEL EST POSEE UNE GOUTTE DE LIQUIDE. UNE SOURCE DE LUMIERE 74 ASSOCIEE A UN COLLIMATEUR 78 FORME UN FAISCEAU PRIMAIRE DE LUMIERE PARALLELE, QUI EST DIRIGE 86 PERPENDICULAIREMENT AU SUBSTRAT. UNE SURFACE RECEPTRICE 126, 128 EST PLACEE DANS UNE POSITION CONNUE PAR RAPPORT AU SUBSTRAT, POUR INTERCEPTER DANS UNE GEOMETRIE CONNUE, LE FAISCEAU SECONDAIRE 124 PRODUIT PAR INTERACTION DU FAISCEAU PRIMAIRE AVEC LA GOUTTE ET LE SUBSTRAT. DE LA ZONE ECLAIREE DE CETTE SURFACE ON TIRE LA VALEUR DE L'ANGLE DE CONTACT DE LA GOUTTE AVEC LE SUBSTRAT.A SUPPORT 56 IS CLEAN TO HOLD HORIZONTAL A SUBSTRATE 10 ON WHICH A DROP OF LIQUID IS LAID. A SOURCE OF LIGHT 74 ASSOCIATED WITH A COLLIMATOR 78 FORMS A PRIMARY BEAM OF PARALLEL LIGHT, WHICH IS DIRECTED 86 PERPENDICULAR TO THE SUBSTRATE. A RECEIVING SURFACE 126, 128 IS PLACED IN A KNOWN POSITION WITH RESPECT TO THE SUBSTRATE, TO INTERCEPT IN A KNOWN GEOMETRY, THE SECONDARY BEAM 124 PRODUCED BY INTERACTION OF THE PRIMARY BEAM WITH THE DROP AND THE SUBSTRATE. FROM THE ILLUMINATED AREA OF THIS SURFACE, THE VALUE OF THE ANGLE OF CONTACT OF THE DROP WITH THE SUBSTRATE IS DRAWN.
Description
25741 8025741 80
ANVAR Aff. 15 i Procédé et dispositif pour déterminer l'angle de contact d'une goutte de liquide posée sur un substrat horizontal ANVAR Aff. 15 i Method and device for determining the contact angle of a drop of liquid placed on a horizontal substrate
solide ou liquide.solid or liquid.
La présente invention concerne un procédé pour déterminer l'angle de contact que forme une goutte de liquide avec un substrat horizontal, solide ou liquide,sur lequel elle est posée, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les mesures d'angles de contact sont utilisées couramment pour caractériser les propriétés de surface de matières solides ou liquides. On sait en effet que la valeur de The present invention relates to a method for determining the contact angle formed by a drop of liquid with a horizontal substrate, solid or liquid, on which it is placed, as well as a device for carrying out this method. Contact angle measurements are commonly used to characterize the surface properties of solid or liquid materials. We know that the value of
l'angle de contact entre une goutte de liquide et le subs- the contact angle between a drop of liquid and the
trat solide ou liquide sur lequel cette goutte est posée dépend des forces régnant à l'interface liquide-solide ou liquide-liquide. solid or liquid trat on which this drop is placed depends on the forces prevailing at the liquid-solid or liquid-liquid interface.
Ces mesures sont applicables non seulement avec des subs- These measures are applicable not only with subs-
trats liquides pour mesurer la tension interfaciale entre deux liquides, mais surtout avec des substrats solides liquid trats to measure the interfacial tension between two liquids, but especially with solid substrates
pour mesurer leurs propriétés interfaciales et par consé- to measure their interfacial properties and therefore
quent leurs propriétés de mouillage. quent their wetting properties.
On sait en effet que, dans le cas d'un mouillage parfait ou complet, la goutte de liquide s'étale sur le substrat et l'angle de contact est alors nul,tandis que, dans le cas d'un mouillage partiel, cet angle de contact est alors compris It is known in fact that, in the case of perfect or complete wetting, the drop of liquid spreads over the substrate and the contact angle is then zero, while, in the case of partial wetting, this contact angle is then understood
entre 0 et 180 .between 0 and 180.
Si l'on prend l'exemple d'une goutte d'eau liquide, entou- If we take the example of a drop of liquid water,
rée par sa vapeur, et posée sur un substrat solide, on sait que l'angle de contact 0 sur la ligne frontière des trois rated by its vapor, and placed on a solid substrate, we know that the contact angle 0 on the border line of the three
phases, ou ligne triple, est une valeur unique pour des sur- phases, or triple line, is a single value for over-
faces lisses, homogènes et isotropes du substrat. Sa valeur est liée par l'équation de Young: SV 1SL YLV cosO smooth, homogeneous and isotropic surfaces of the substrate. Its value is linked by Young's equation: SV 1SL YLV cosO
à l'énergie libre ySv à l'interface solide-vapeur, à l'éner- to free energy ySv at the solid-vapor interface, to the
gie libre àSL à l'interface solide-liquide et à la tension YLV à l'interface liquide-vapeur. On rappellera que Zisman free voltage at SL at the solid-liquid interface and at voltage YLV at the liquid-vapor interface. Remember that Zisman
a mis l'accent sur le concept d'une tension de surface criti- emphasized the concept of critical surface tension
que pour le mouillage, YC, qui est une caractéristique de chaque surface solide. Ainsi, le verre et les métaux sont des exemples de surfaces d'énergie élevée, sur lesquelles la plupart des liquides s'étalent spontanément, l'angle O as for wetting, YC, which is a characteristic of each solid surface. Thus, glass and metals are examples of high energy surfaces, on which most liquids spread spontaneously, the angle O
tendant alors vers zéro. Au contraire, des matières plasti- then tending towards zero. On the contrary, plastic materials
ques telles que le tétrafluoroéthylène sont des surfaces typiques de faible énergie,si bien que les liquides déposés sur ces surfaces restent sous forme de gouttelettes ayant that such as tetrafluoroethylene are typical low energy surfaces, so that the liquids deposited on these surfaces remain in the form of droplets having
des angles de contact finis tant que yC est inférieur à yLV. finite contact angles as long as yC is less than yLV.
Ces mesures d'angles de contact sont utilisées non seulement These contact angle measurements are used not only
en recherche fondamentale ou appliquée, mais aussi dans l'in- in fundamental or applied research, but also in the
dustrie pour effectuer des tests de routine sur les états de industry to perform routine tests on the states of
surface de certaines matières.surface of certain materials.
Ces mesures intéressent un grand nombre d'entreprises These measures are of interest to a large number of companies
d'activités très différentes.very different activities.
Sont ainsi concernées les entreprises qui effectuent des This applies to companies that carry out
tests d'état de surface sur différents matériaux, les entre- surface condition tests on different materials,
prises travaillant sur les films plastiques et polymériques, les tensioactifs et détergents, les textiles, les encres, sockets working on plastic and polymer films, surfactants and detergents, textiles, inks,
les colles, les matériaux composites et les matériaux spé- adhesives, composite materials and special materials
ciaux, par exemple les matériaux -du domaine biomédical,les lentilles de contact, les produits pour les dents, etc. Sont également concernées les entreprises qui travaillent sur les materials, for example biomedical materials, contact lenses, tooth products, etc. Also affected are companies working on
dépôts en couches minces pour modifier les propriétés de sur- thin film deposits to modify the properties of
face d'un matériau donné, comme par exemple le dépjt de tétra- face of a given material, for example the deposit of tetra-
fluoroéthylène en couche mince sur les tambours métalliques thin layer fluoroethylene on metal drums
utilisés en imprimerie offset. D'autres industries sont égale- used in offset printing. Other industries are also
ment concernées, comme par exemple l'industrie pétrolière. concerned, such as the oil industry.
Il existe à l'heure actuelle un certain nombre de procédés There are currently a number of processes
expérimentaux pour mesurer les angles de contact. tests to measure contact angles.
La plupart de ces procédés sont basés sur l'observation d'une goutte posée sur un substrat, ce qui a l'avantage de Most of these methods are based on the observation of a drop placed on a substrate, which has the advantage of
ne demander que de faibles quantités de liquide et des sur- only ask for small amounts of liquid and over-
faces de substrat inférieures à quelques millimètres carrés. substrate faces less than a few square millimeters.
Dans les procédés les plus largement utilisés, on projette l'image de la goutte "en silhouette" et on mesure point par point l'angle de la goutte à l'aide d'un télescope et d'un In the most widely used methods, the image of the drop is projected "in silhouette" and the angle of the drop is measured point by point using a telescope and a
rapporteur, ce qui suppose une estimation visuelle de la tan- protractor, which requires a visual estimate of the tan-
gente. La reproduction obtenue avec de tels procédés est fai-- kind. The reproduction obtained with such processes is low--
ble et certainement inférieure à 1 2 lorsque l'on compare les données obtenues soit sur des gouttes successives soit ble and certainly less than 1 2 when comparing the data obtained either on successive drops or
sur plusieurs vues en projection de la même goutte. on several views in projection of the same drop.
Ce manque de reproductibilité est encore aggravé par l'hété- This lack of reproducibility is further exacerbated by heterogeneity.
rogénéité et la rugosité locale des substrats solides utili- roughness and local roughness of solid substrates used
sés. Etant donné que ce problème est inhérent au substrat lui-même, il sera toujours présent quel que soit le soin his. Since this problem is inherent to the substrate itself, it will always be present regardless of the care
apporté par les expérimentateurs. La seule manière de dimi- brought in by the experimenters. The only way to dimi-
nuer la dispersion des résultats est alors d'effectuer une moyenne sur un grand nombre de mesures individuelles, ce qui to reduce the dispersion of the results is then to average over a large number of individual measurements, which
constitue bien évidemment une tâche particulièrement fasti- is obviously a particularly fast task.
dieuse et délicate.godly and delicate.
Dans un autre procédé connu, on crée des franges d'interfé- In another known method, interfacing fringes are created.
rence dans un coin de liquide formé par le bord de la goutte in a corner of liquid formed by the edge of the drop
et on en déduit l'angle de contact de l'interfrange. Ce pro- and the contact angle of the interfringe is deduced therefrom. This pro-
cédé ne peut toutefois être appliqué que pour la détermina- however, can only be applied for the determination
tion d'angles de contact très faibles. On connaît également un autre procédé de mesure consistant à effectuer une auto-collimation de lumière très localement sur le bord de la goutte, au moyen d'un faisceau de lumière tion of very small contact angles. Another measurement method is also known which consists in performing a self-collimation of light very locally on the edge of the drop, by means of a beam of light.
dont on fait varier l'angle d'incidence par rapport au subs- whose angle of incidence is varied with respect to the
trat. On observe l'intensité du faisceau réfléchi par la gout- trat. The intensity of the beam reflected by the drop is observed.
te afin de détecter le moment o se produit l'extinction du- te in order to detect the moment when the extinction of the
dit faisceau. La position de l'angle du faisceau incident permet de déduire immédiatement l'angle de contact de la goutte avec le substrat. L'inconvénient de ce procédé est qu'il fait appel, comme les précédents, à une mesure sur une section particulière de la goutte, ce qui conduit là encore says beam. The position of the angle of the incident beam makes it possible to immediately deduce the contact angle of the drop with the substrate. The disadvantage of this method is that it uses, like the previous ones, a measurement on a particular section of the drop, which again leads
à une mauvaise reproductibilité des mesures. poor reproducibility of the measurements.
Le procédé qui fait l'objet de la présente invention permet d'éviter les inconvénients précités du fait que l'angle de contact entre le goutte posée ou "sessile" et le substrat est déterminé simultanément sur toute la périphérie de la goutte. La détermination des angles de contact se fait alors de façon rapide et précise, la précision étant typiquement de 0,1 au lieu de 1 à 2Q avec les procédés de la technique antérieure. Le procédé permet également une mesure objective, car il ne The process which is the subject of the present invention makes it possible to avoid the abovementioned drawbacks because the contact angle between the drop placed or "sessile" and the substrate is determined simultaneously over the entire periphery of the drop. The determination of the contact angles is then carried out quickly and precisely, the precision being typically 0.1 instead of 1 to 2Q with the methods of the prior art. The method also allows an objective measurement, because it does not
nécessite pas une estimation visuelle d'une tangente au pro- not require a visual estimate of a tangent to the pro-
fil de la goutte au point de contact, si bien que les déter- drop wire at the point of contact, so that the deter-
minations ne sont pas susceptibles dé varier d'un observa- minations are not likely to vary from observation
teur à l'autre.to the other.
Le procédé de l'invention ne nécessite pas de microscope optique comme avec la plupart des procédés antérieurs; il The method of the invention does not require an optical microscope as with most of the prior methods; he
permet une détection visuelle immédiate des gouttes mal for- allows immediate visual detection of ill-formed drops
mées, ce qui aurait été impossible avec un procédé antérieur which would have been impossible with an earlier process
et aurait donné lieu à une mesure erronée. and would have given rise to an incorrect measurement.
Le procédé de l'invention constitue également un test immé- The method of the invention also constitutes an immediate test.
diat de l'homogénéité du substrat à partir de la forme de diat of the homogeneity of the substrate from the form of
la goutte (asymétrie, irrégularité du contour). gout (asymmetry, irregularity of the outline).
En outre, le procédé permet une automatisation et une mesure In addition, the method allows automation and measurement
en continu, étant observé que cette mesure est particulière- continuously, it being observed that this measure is particular-
ment simple à mettre en oeuvre, comme cela apparaîtra à la simple to implement, as will appear in the
lecture de la description ci-après. read the description below.
Le procédé pour déterminer l'angle de contact d'une goutte de liquide posée sur un substrat horizontal,solide ou liquide, selon l'invention, comprend essentiellement les opérations consistant à: The method for determining the contact angle of a drop of liquid placed on a horizontal, solid or liquid substrate, according to the invention, essentially comprises the operations consisting in:
a) diriger perpendiculairement au substrat un faisceau pri- a) direct a primary beam perpendicular to the substrate
maire de lumière parallèle propre à éclairer une zone qui englobe l'interface entre la périphérie de la goutte et le substrat, ce faisceau primaire interagissant avec la goutte et le substrat pour produire au moinsun faisceau secondaire; mayor of parallel light suitable for illuminating an area which includes the interface between the periphery of the drop and the substrate, this primary beam interacting with the drop and the substrate to produce at least one secondary beam;
b) mesurer l'étendue de la transition d'éclairement que pré- b) measure the extent of the lighting transition that pre-
sente le faisceau secondaire, en correspondance de la péri- feel the secondary beam, corresponding to the peri-
phérie de la goutte, sur au moins une surface réceptrice in- gout of the drop, on at least one receiving surface
terceptant ce faisceau dans une position par rapport au subs- capturing this beam in a position with respect to the
trat et une géométrie connues, ce qui permet de déterminer l'angle de contact à partir de ladite mesure ainsi que de la position et de la géométrie known trat and geometry, which makes it possible to determine the contact angle from said measurement as well as from the position and geometry
obtenues de ladite surface réceptrice. obtained from said receiving surface.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le faisceau secondaire est produit par interaction du faisceau primaire avec la goutte et le substrat, la goutte agissant In a first embodiment of the invention, the secondary beam is produced by interaction of the primary beam with the drop and the substrate, the drop acting
alors comme un miroir convexe.then like a convex mirror.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le fais- In a first embodiment of the invention, the
ceau primaire peut-être dirigé vers la face du substrat sur laquelle est posée la goutte-.ou bien être dirigé vers la face du substrat opposée à celle sur laquelle est posée la this primary element may be directed towards the face of the substrate on which the drop is placed. or else it may be directed towards the face of the substrate opposite to that on which is placed the
goutte, le substrat étant alors transparent. drop, the substrate then being transparent.
Dans le cas o le faisceau primaire est dirigé vers la face du substrat sur laquelle est posée la goutte, le faisceau In the case where the primary beam is directed towards the face of the substrate on which the drop is placed, the beam
secondaire peut être produit selon trois variantes diffé- secondary can be produced in three different variants
rentes qui dépendent des gammes d'angles de contact et de annuities that depend on the ranges of contact angles and
la nature du substrat.the nature of the substrate.
Dans une première variante,le faisceau secondaire est pro- In a first variant, the secondary beam is pro-
duit par une simple réflexion du faisceau primaire sur la surface convexe de la goutte, la nature du substrat étant alors indifférente, ce qui permet de déterminer des angles duit by a simple reflection of the primary beam on the convex surface of the drop, the nature of the substrate then being indifferent, which makes it possible to determine angles
de contact compris entre 0 et 45 .contact between 0 and 45.
Dans une deuxième variante, le faisceau secondaire est pro- In a second variant, the secondary beam is pro-
duit par une réflexion du faisceau primaire sur la surface convexe de la goutte, suivie par une transmission à travers le substrat, ce dernier étant transparent, ce qui permet de duit by a reflection of the primary beam on the convex surface of the drop, followed by a transmission through the substrate, the latter being transparent, which makes it possible to
déterminer des angles de contact compris entre 45 et 90 . determine contact angles between 45 and 90.
Dans une troisième variante, le faisceau secondaire est pro- In a third variant, the secondary beam is pro-
duit par une réflexion du faisceau primaire sur la surface duit by a reflection of the primary beam on the surface
convexe de la goutte, suivie par une réflexion sur le subs- convex of the drop, followed by a reflection on the subs-
trat, ce dernier agissant comme un miroir plan, ce qui per- trat, the latter acting as a plane mirror, which
met de déterminer des angles de contact compris entre 45 puts to determine contact angles between 45
et 90 .and 90.
Dans le premier mode de réalisation et dans le cas o le substrat est transparent et que le faisceau primaire est dirigé vers la face du substrat opposée à celle sur laquelle In the first embodiment and in the case where the substrate is transparent and the primary beam is directed towards the face of the substrate opposite to that on which
est posée la goutte, on peut déterminer des angles de con- the drop is placed, we can determine the angles of
tact compris entre 90 et 1800.tact between 90 and 1800.
Conformément à un deuxième mode de réalisation de l'inven- tion, le faisceau secondaire est produit par interaction du faisceau primaire avec la goutte et le substrat, la goutte agissant comme une lentille plan convexe et le substrat étant According to a second embodiment of the invention, the secondary beam is produced by interaction of the primary beam with the drop and the substrate, the drop acting as a convex plane lens and the substrate being
transparent, ce qui permet de déterminer des angles de con- transparent, which makes it possible to determine angles of con
tact compris entre 0 et 90 .tact between 0 and 90.
La surface réceptrice utilisée pour mettre en oeuvre le pro- The receiving surface used to implement the pro-
cédé de l'invention peut être notamment une surface plane disposée parallèlement au substrat, une surface généralement cylindrique dont l'axe est dirigé perpendiculairement au substrat et passe par le centre de la goutte, ou encore une surface en forme de calotte hémisphérique centrée sur la ceded of the invention may in particular be a flat surface arranged parallel to the substrate, a generally cylindrical surface whose axis is directed perpendicular to the substrate and passes through the center of the drop, or else a hemispherical cap-shaped surface centered on the
goutte, et dont lalligne équatoriale est placée à l'horizon- drop, and whose equatorial line is placed on the horizon-
tale. L'utilisation d'une surface réceptrice en forme de calotte hémisphérique est particulièrement avantageuse car elle permet une lecture directe de l'angle de contact, si cette calotte hémisphérique est pourvue d'une graduation tale. The use of a receiving surface in the form of a hemispherical cap is particularly advantageous since it allows a direct reading of the contact angle, if this hemispherical cap is provided with a graduation
angulaire appropriée.appropriate angle.
La surface réceptrice peut également faire partie d'un dispo- The receiving surface can also be part of a provision
sitif de détection automatique, par exemple une caméra vidéo automatic detection, for example a video camera
couplée à un ordinateur, ou encore un détecteur opto- coupled with a computer, or even an optical detector
électronique, du type photorésistance, si possible à réponse electronic, photoresistor type, if possible with response
fortement non-linéaire.strongly non-linear.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise The invention also relates to a device for setting
en oeuvre du procédé, ce dispositif comprenant essentielle- implementing the method, this device comprising essential-
ment un support propre à maintenir un substrat horizontale- a suitable support to maintain a horizontal substrate-
ment, une source de lumière, des moyens pour former à par- ment, a light source, means to form from
tir de la source un faisceau primaire de lumière parallèle, des moyens pour diriger ce faisceau perpendiculairement au substrat et au moins une surface réceptrice dans une position shooting from the source a primary beam of parallel light, means for directing this beam perpendicular to the substrate and at least one receiving surface in a position
par rapport au substrat et une géométrie connues pour inter- with respect to the substrate and a geometry known for inter-
cepter le faisceau secondaire produit par interaction du cepter the secondary beam produced by interaction of the
faisceau primaire avec la goutte et le substrat. primary beam with drop and substrate.
Les moyens utilisés dans le dispositif pour diriger le fais- The means used in the device to direct the
ceau primaire perpendiculairement au substrat comprennent avantageusement des moyens d'orientation pour diriger le faisceau primaire soit en direction de la face du substrat sur laquelle est posée la goutte, soit au contraire en the primary beam perpendicular to the substrate advantageously comprise orientation means for directing the primary beam either in the direction of the face of the substrate on which the drop is placed, or on the contrary in
direction opposée.opposite direction.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention résul- Other characteristics and advantages of the invention result from
teront de l'examen de la description détaillée qui suit, will be from the examination of the detailed description which follows,
ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: as well as the accompanying drawings, in which:
- la figure 1 est une représentation schématique d'un dis- - Figure 1 is a schematic representation of a dis-
positif mettant en oeuvre le procédé de l'inventionpour déterminer l'angle de contact d'une gouttede liquide posée sur un substrat; positive implementing the method of the invention to determine the contact angle of a drop of liquid placed on a substrate;
- la figure 2 est un détail de la figure 1 montrant plus par- - Figure 2 is a detail of Figure 1 showing more par-
ticulièrement la disposition du faisceau primaire et des faisceaux secondaires, réfléchis et réfractés par la goutte de liquide; - les figures 3 à 6 sont des figures analogues à la figure 2 montrant la disposition du faisceau primaire et du faisceau secondaire pour différents modes et variantes de mise en oeuvre du procédé; particularly the arrangement of the primary beam and the secondary beams, reflected and refracted by the drop of liquid; - Figures 3 to 6 are figures similar to Figure 2 showing the arrangement of the primary beam and the secondary beam for different modes and variants of implementation of the method;
- la figure 7 est une vue de dessus d'un dispositif de- - Figure 7 is a top view of a device
mesure selon l'invention; - la figure 8 est une vue en coupe prise suivant la ligne VIII-VIII de la figure 7; - la figure 9 représente une "image"lréfractée obtenue avec measurement according to the invention; - Figure 8 is a sectional view taken along the line VIII-VIII of Figure 7; - Figure 9 shows a refracted "image" obtained with
un dispositif conforme à l'invention-;sur une surface récep- a device according to the invention; on a receiving surface;
trice plane du type plaque photographique; flat trice of the photographic plate type;
- la figure 10 est une "image' réfractée obtenue dans les mê- - Figure 10 is a "refracted image" obtained in the same
mes conditions que l"'image"de la figure 9, mais l'aiguille ayant servi à déposer la goutte étant restée en place au cours de la mesure; my conditions as the "image" of figure 9, but the needle having been used to deposit the drop having remained in place during the measurement;
- la figure 11 est un graphique montrant la variation du co- - Figure 11 is a graph showing the variation of the co-
sinus de l'angle de contact O en fonction de la tension in- sine of the contact angle O as a function of the voltage
terfaciale liquide-vapeur pour une série de n-alcanes à la liquid-vapor terfacial for a series of n-alkanes with
température ambiante, à partir d'une série de mesures effec- room temperature, from a series of measurements taken
tuées selon l'invention sur un substrat en polytétrafluoro- killed according to the invention on a polytetrafluoro-substrate
éthylène; etethylene; and
- la figure 12 est un graphique obtenu dans les mêmes condi- FIG. 12 is a graph obtained under the same conditions.
tions que le graphique de la figure 11, mais en utilisant comme substrat une plaque de verre de borosilicate recouverte as the graph in Figure 11, but using a borosilicate glass plate covered as a substrate
d'une monocouche d'hexadécanol.a monolayer of hexadecanol.
On a représenté sur la figure 1 un substrat horizontal so- FIG. 1 shows a horizontal substrate so-
lide constitué ici par une plaque de verre 10 qui peut être par exemple une plaque pour microscope. Sur la face supérieure de la plaque 10 est posée une goutte de liquide 12 formant un angle de contact 0 avec le substrat (cf. figure 2). Comme le montre la figure 1, une source de lumière 14, par exemple propre à émettre un rayon laser, émet un faisceau de lumière parallèle et horizontal dont le diamètre est dilaté au moyen the liquid constituted here by a glass plate 10 which can for example be a microscope plate. On the upper face of the plate 10 is placed a drop of liquid 12 forming a contact angle 0 with the substrate (see FIG. 2). As shown in FIG. 1, a light source 14, for example suitable for emitting a laser beam, emits a parallel and horizontal beam of light whose diameter is dilated by means
de deux lentilles 18 et 20 disposées en configuration afocale. two lenses 18 and 20 arranged in afocal configuration.
Le diamètre du faisceau 16 est ainsi augmenté pour former un The diameter of the beam 16 is thus increased to form a
faisceau 18 qui est dirigé sur un miroir 20, disposé en for- beam 18 which is directed on a mirror 20, arranged in a form
mant un angle à 45 par rapport à l'horizontale, de manière à émettre un faisceau primaire 22 de lumière parallèle en direction du substrat 10. Ce faisceau de lumière doit avoir un diamètre tel et une orientation telle qu'il puisse éclairer une zone qui englobe l'interface entre la périphérie de la goutte et le substrat. En pratique, on s'arrange pour que le faisceau 22 soit dirigé verticalement et centré sur la goutte, tout en présentant un diamètre supérieur au diamètre Dd de mant an angle at 45 with respect to the horizontal, so as to emit a primary beam 22 of parallel light in the direction of the substrate 10. This beam of light must have such a diameter and an orientation that it can illuminate an area which includes the interface between the periphery of the drop and the substrate. In practice, it is arranged so that the beam 22 is directed vertically and centered on the drop, while having a diameter greater than the diameter Dd of
la goutte.drop.
A titre d'exemple, la source 14 peut être une source laser ser héliumnéon ayant une longueur d'onde de 632,8 nanomè- tres et propre à émettre un faisceau laserayant un diamètre de 1,5 mm. Ce faisceau peut être dilaté de manière à avoir By way of example, the source 14 can be a heliumneon laser source having a wavelength of 632.8 nanometers and suitable for emitting a laser beam having a diameter of 1.5 mm. This bundle can be expanded so as to have
par exemple un diamètre de 1 centimètre, c'est-à-dire un dia- for example a diameter of 1 centimeter, i.e. a diameter
mètre suffisant pour pouvoir englober entièrement une goutte sufficient meter to be able to fully encompass a drop
dont on désire mesurer l'angle de contact avec un substrat. which one wishes to measure the contact angle with a substrate.
Comme cela sera décrit plus loin en référence aux figures 7 et 8, il est également avantageux de prévoir des moyens pour As will be described later with reference to FIGS. 7 and 8, it is also advantageous to provide means for
que le faisceau primaire 22 puisse être dirigé vers le subs- that the primary beam 22 can be directed towards the sub-
trat, mais vers la face de ce dernier qui est opposée à celle supportant la goutte. De cette manière, on réalise un éclairage de la goutte par en dessous, comme cela sera trat, but towards the face of the latter which is opposite to that supporting the drop. In this way, we realize a lighting of the drop from below, as it will
montré plus loin.shown below.
Le faisceau primaire 22 interagit avec la goutte 12 et le The primary beam 22 interacts with the drop 12 and the
substrat 10 pour produire au moins un faisceau secondaire. substrate 10 for producing at least one secondary beam.
En effet, la surface de la goutte agit comme un miroir con- In fact, the surface of the drop acts like a mirror
vexe qui réfléchit un faisceau secondaire 24 constitué par un cône de lumère dont l'angle d'ouverture est égal à 46, vex which reflects a secondary beam 24 constituted by a cone of light whose opening angle is equal to 46,
l'angle de contact à la périphérie de la goutte étant sup- the contact angle at the periphery of the drop being greater
posé constant (cf. figure 2). L'image réfléchie est inter- set constant (see Figure 2). The reflected image is inter-
ceptée sur une surface réceptrice de géométrie connue et pla- ceptée on a receiving surface of known geometry and placed
cée dans une position connue par rapport au substrat. Ceci permet de mesurer l'étendue de la transition d'éclairement que présente le faisceau secondaire 24, en correspondance created in a known position relative to the substrate. This makes it possible to measure the extent of the illumination transition presented by the secondary beam 24, in correspondence
de la périphérie de la goutte 12.from the periphery of the drop 12.
Comme le montre la figure 1, l'image est interceptée sur une surface réceptrice 26 constituée par un écran disposé horizontalement et à une distance h du substrat. On obtient As shown in FIG. 1, the image is intercepted on a receiving surface 26 constituted by a screen arranged horizontally and at a distance h from the substrate. We obtain
ainsi sur cet écran une tache lumineuse, généralement circu- thus on this screen a bright spot, generally circu-
2574-1802574-180
laire, qui présente un diamètre D. On peut montrer aisément que le diamètre D est relié à 0 par la relation: D - Dd tg 2 O = 2h On peut ainsi, connaissant la valeur h, et après mesure des laire, which has a diameter D. We can easily show that the diameter D is related to 0 by the relation: D - Dd tg 2 O = 2h We can thus, knowing the value h, and after measuring the
valeurs Dd et D,obtenir la valeur 8 recherchée. values Dd and D, obtain the value 8 sought.
En variante, il est possible d'intercepter le faisceau secon- As a variant, it is possible to intercept the secondary beam.
daire 24 sur une surface généralement cylindrique 28 dont l'axe est dirigé perpendiculairement au substrat et passe 24 on a generally cylindrical surface 28 whose axis is directed perpendicular to the substrate and passes
par le centre de la goutte.through the center of the drop.
Dans une autre variante, qui sera décrite plus loin, la sur- In another variant, which will be described later, the sur-
s15 face réceptrice peut être constituée par une calotte sphéri- s15 receiving face may consist of a spherical cap
que dont le centre coincide avec le centre de la goutte. that whose center coincides with the center of the drop.
Le faisceau secondaire 24 est produit par une simple réfle- The secondary beam 24 is produced by a simple reflection
xion du faisceau primaire 22 sur la surface convexe de la goutte qui agit comme un miroir, la nature du substrat étant alors indifférente. Ceci permet de déterminer des angles xion of the primary beam 22 on the convex surface of the drop which acts as a mirror, the nature of the substrate then being indifferent. This makes it possible to determine angles
de contact compris entre 0 et 45 .contact between 0 and 45.
En dehors du fait que la goutte 12 constitue un miroir, elle Apart from the fact that the drop 12 constitutes a mirror, it
peut également agir comme lentille plan-convexe si le subs- can also act as a plano-convex lens if the subs-
trat 10 esttransparent à l'égard du faisceau 22. Dans ce der- trat 10 is transparent with respect to bundle 22. In this latter
nier cas, on peut produire un faisceau réfracté 30 qui est intercepté sur une surface réceptrice 32, constituée par To deny this, a refracted beam 30 can be produced which is intercepted on a receiving surface 32, constituted by
exemple par une plaque photographique, disposée à l'horizon- example by a photographic plate, arranged on the horizon-
tale et à une distance h' par rapport à la face du substrat sur laquelle est posée la goutte.On notera que la surface 32 doit être disposée en dessous du substrat 10 et que l'on observe également sur cette surface 32 une tache généralement tale and at a distance h 'from the face of the substrate on which the drop is placed. Note that the surface 32 must be placed below the substrate 10 and that there is also generally observed on this surface 32
circulaire ayant un diamètre extérieur D' (cf. figure 1). circular with an outside diameter D '(cf. figure 1).
Si l'indice de réfraction n du liquide formant la goutte est connu, D' est relié à la valeur h' et à l'anale de contact e par les relations suivantes: tg 8 = sin 8" (n 2_sin2,") 1/2_1 D'+ Dd tg 0" = 2h' dans laquelle 0" est l'angle réfracté au sommet de la goutte (cf. figure 2). Le faisceau secondaire 30 peut être également intercepté sur la surface cylindrique 28 ou sur une surface If the refractive index n of the liquid forming the drop is known, D 'is related to the value h' and to the contact anal e by the following relationships: tg 8 = sin 8 "(n 2_sin2,") 1 / 2_1 D '+ Dd tg 0 "= 2h' in which 0" is the refracted angle at the top of the drop (see Figure 2). The secondary beam 30 can also be intercepted on the cylindrical surface 28 or on a surface
réceptrice de type calotte sphérique. spherical cap type receiver.
Dans la variante de réalisation précitée, o on utilise un In the aforementioned variant embodiment, where a
faisceau secondaire 30 réfracté par la goutte, on peut déter- secondary beam 30 refracted by the drop, one can detect
miner des angles de contact compris entre 0 et 90 . mine contact angles between 0 and 90.
Dans la variante de réalisation de la figure 3, le faisceau primaire 22 est également dirigé vers la face du substrat sur laquelle est posée la goutte. Le faisceau secondaire 34 est produit par une réflexion du faisceau primaire 22 sur la surface convexe-de la goutte,réflexion qui est suivie In the alternative embodiment of FIG. 3, the primary beam 22 is also directed towards the face of the substrate on which the drop is placed. The secondary beam 34 is produced by a reflection of the primary beam 22 on the convex surface of the drop, which reflection is followed
par une transmission à travers le substrat 10 qui est trans- by transmission through the substrate 10 which is trans-
parent. Ceci permet de déterminer des angles de contact com- parent. This makes it possible to determine the contact angles
pris entre 45 et 90 . Dans ce cas, la surface réceptrice 32 doit évidemment être disposée dans la région comprise sous taken between 45 and 90. In this case, the receiving surface 32 must obviously be arranged in the region included under
le substrat 10.the substrate 10.
On peut montrer que la valeur 8 peut être déduite de la re- We can show that the value 8 can be deduced from the re-
lation tg 2 8= -(d2h), d'o par conséquent 2 0= - arc tg (D-d). Dans cette relation, D désigne le diamètre de l'image sur la surface réceptrice, d le diamètre de la goutte et h la distance entre le substrat et la -surface réceptrice. Dans la variante de réalisation de la figure 4, le faisceau primaire 22 est également dirigé vers la face du substrat 10 sur laquelle est posée la goutte. Le faisceau secondaire 36 est produit ici par une réflexion du faisceau primaire sur lation tg 2 8 = - (d2h), hence therefore 2 0 = - arc tg (D-d). In this relation, D denotes the diameter of the image on the receiving surface, d the diameter of the drop and h the distance between the substrate and the receiving surface. In the alternative embodiment of FIG. 4, the primary beam 22 is also directed towards the face of the substrate 10 on which the drop is placed. The secondary beam 36 is produced here by a reflection of the primary beam on
la surface convexe de la goutte,suivie par une autre réfle- the convex surface of the drop, followed by another reflection
xion sur le substrat 10, ce dernier agissant comme un miroir xion on the substrate 10, the latter acting as a mirror
plan, ce qui permet de déterminer des angles de contact com- plane, which makes it possible to determine contact angles
pris entre 45 et 90 . Dans cette variante de réalisation, la taken between 45 and 90. In this variant embodiment, the
surface réceptrice 26 doit être disposée dans la région supé- receiving surface 26 must be arranged in the upper region
rieure de l'espace par rapport au substrat 10. less space compared to substrate 10.
D-d La valeur 8 est obtenue par la relation 20 = v-arc tg(-2), D-d The value 8 is obtained by the relation 20 = v-arc tg (-2),
D, d et h étant définis comme précédemment. D, d and h being defined as above.
Dans la variante de réalisation de la figure 5, le substrat est transparent et le faisceau primaire est dirigé vers la face du substrat qui est opposée à celle sur laquelle est posée la goutte. Dans le cas de la figure 5 o l'angle de contact 8 est compris entre 90 et 135 , le faisceau secondaire 38 est réfléchi dans la région supérieure de l'espace par In the alternative embodiment of FIG. 5, the substrate is transparent and the primary beam is directed towards the face of the substrate which is opposite to that on which the drop is placed. In the case of FIG. 5 where the contact angle 8 is between 90 and 135, the secondary beam 38 is reflected in the upper region of the space by
rapport au substrat 10. Il convient donc de disposer une sur- compared to substrate 10. It is therefore advisable to have an additional
face réceptrice 26 dans cette région de l'espace. La valeur D-d O est déduite de la relation 2 0 = r+ arc tg (-d), D, d et h receiving face 26 in this region of space. The value D-d O is deduced from the relation 2 0 = r + arc tg (-d), D, d and h
étant définis comme précédemment. being defined as above.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, qui s'apparente étroitement à celui de la figure 5 puisque le substrat est transparent et que le faisceau primaire est dirigé vers la face du substrat opposée à celle sur laquelle est posée la goutte, on mesure des angles de contact compris entre 135 et 180 . Toutefois, dans ce cas particulier, le faisceau In the embodiment of FIG. 6, which closely resembles that of FIG. 5 since the substrate is transparent and the primary beam is directed towards the face of the substrate opposite to that on which the drop is placed, we measure contact angles between 135 and 180. However, in this particular case, the beam
secondaire 40 est réfléchi dans la région inférieure de l'es- secondary 40 is reflected in the lower region of the es
pace par rapport au substrat 10. C'est donc dans cette région inférieure qu'il convient de disposer une surface réceptrice 32. La valeur O est obtenue dans ce cas par la D-d relation 2 = 2- arc tg (-2h), D, d et h étant définis comme précédemment. Ainsi, en utilisant le montage de la figure 5 ou de la figure 6, on peut déterminer des angles pace with respect to the substrate 10. It is therefore in this lower region that a receiving surface 32 should be arranged. The value O is obtained in this case by the Dd relation 2 = 2- arc tg (-2h), D , d and h being defined as above. Thus, by using the assembly of figure 5 or figure 6, one can determine angles
de contact compris entre 90 et 180 . contact between 90 and 180.
Les relations donnant les valeurs 0, indiquées plus haut, The relations giving the values 0, indicated above,
sont établies en relation avec des surfaces réceptrices pla- are established in relation to flat receiving surfaces
nes, du type écran. Toutefois, dans lesdifférents modes de nes, of the screen type. However, in the different modes of
réalisation décrits en référence aux figures 3 à 6, les sur- embodiment described with reference to FIGS. 3 to 6, the sur-
faces réceptrices peuvent être réalisées de la même façon que receiving faces can be made in the same way as
décrit plus haut en référence aux figures 1 et 2. described above with reference to Figures 1 and 2.
On se réfère maintenant aux figures 7 et 8 pour décrire un We now refer to Figures 7 and 8 to describe a
dispositif conforme au mode de réalisation préféré de l'in- device according to the preferred embodiment of the
vention.vention.
Ce dispositif comprendpour l'essentiel un bâti 42 destiné à être placé à l'horizontale au moyen de pieds réglables fixés au bâti (non représentés). Ce bâti 42 est délimité par This device essentially comprises a frame 42 intended to be placed horizontally by means of adjustable feet fixed to the frame (not shown). This frame 42 is delimited by
deux côtés parallèles 44 et 46 qui se prolongent respective- two parallel sides 44 and 46 which extend respectively-
ment par deux côtés non parallèles 48 et 50 pour former une partie rétrécie (figure 7). Ce bâti 42 constitue alors une ment by two non-parallel sides 48 and 50 to form a narrowed portion (Figure 7). This frame 42 then constitutes a
* table de forte épaisseur dans laquelle est ménagée une ouver-* very thick table in which an opening is provided
ture 52 de forme générale circulaire, dans la région comprise entre les côtés 44 et 46, et une fente longitudinale ouverte 54 dans la région comprise entre les deux côtés 48 et 50 (cf. figure 7). A l'intérieur de l'ouverture 52 est disposé un support ou porte-échantillon 56 réglable en hauteur et destiné à recevoir un substrat 10 sur la face supérieure ture 52 of generally circular shape, in the region between the sides 44 and 46, and an open longitudinal slot 54 in the region between the two sides 48 and 50 (cf. FIG. 7). Inside the opening 52 is disposed a support or sample holder 56 adjustable in height and intended to receive a substrate 10 on the upper face
duquel doit être disposée une goutte de liquide 12. Pour dépo- of which a drop of liquid 12 must be placed.
ser cette goutte de liquide, on utilise une micro-seringue ser this drop of liquid, we use a micro-syringe
58 qui est fixée sous le bâti 42 et qui est reliée, par l'in- 58 which is fixed under the frame 42 and which is connected, by the
termédiaire d'une conduite souple 60, à une extrémité d'une aiguille creuse 62 dont l'autre extrémité 64 est recourbée end of a flexible pipe 60, at one end of a hollow needle 62 whose other end 64 is bent
pour venir déposer la goutte 12 sur le substrat 10. L'aiguil- to deposit the drop 12 on the substrate 10. The needle-
le 62 est montée pivotante autour d'un axe horizontal 66 et est réglable en position grâce à un pointeau 68 agissant sur le déplacement vertical d'une butée 70 apte à coopérer avec the 62 is pivotally mounted around a horizontal axis 66 and is adjustable in position by means of a needle 68 acting on the vertical displacement of a stop 70 capable of cooperating with
l'aiguille 62 au voisinage de son extrémité reliée à la con- the needle 62 in the vicinity of its end connected to the
duite 60. Le réglage dé l'horizontalité du bâti 42 peut être pick 60. The adjustment of the horizontality of the frame 42 can be
obtenu au moyen d'un niveau à bulle 72 disposé dans un évi- obtained by means of a spirit level 72 placed in a recess
dement de la face supérieure du bâti 42. dement of the upper face of the frame 42.
A l'intérieur de la fente 54 est disposée une source 114, telle une source laser hélium-néon, propre à émettre un faisceau 76 dirigé horizontalement. Le diamètre du faisceau Inside the slot 54 is arranged a source 114, such as a helium-neon laser source, capable of emitting a beam 76 directed horizontally. The beam diameter
76 est augmenté grâce à un agrandisseur de faisceau 78 com- 76 is increased with a beam enlarger 78
prenant deux lentilles 80 et 82 dans une configuration afo- cale. De la sorte, on produit un faisceau 84 de lumière taking two lenses 80 and 82 in an afocal configuration. In this way, a beam 84 of light is produced
parallèle. Ce faisceau 84 peut être dévié suivant deux direc- parallel. This beam 84 can be deflected in two directions
tions différentes grâce à un dispositif optique désigné dans different conditions thanks to an optical device designated in
son ensemble par la référence 86. Ce dispositif optique com- as a whole by reference 86. This optical device comprises
prend un tube vertical 88 de section carrée qui est muni dans sa région centrale d'une ouverture 90 pour permettre l'introduction du faisceau primaire 84. Le tube 88 est relié à sa partie supérieure à un tube horizontal 92 et à sa partie inférieure à un tube horizontal 94, tous deux de section carrée. La liaison entre le tube 88 et le tube 92 et entre le tube 88 et le tube 94 s'effectue respectivement par des takes a vertical tube 88 of square section which is provided in its central region with an opening 90 to allow the introduction of the primary beam 84. The tube 88 is connected at its upper part to a horizontal tube 92 and at its lower part to a horizontal tube 94, both of square section. The connection between the tube 88 and the tube 92 and between the tube 88 and the tube 94 takes place respectively by
plaques inclinées 96 et 98 disposées à 45 . Le tube 92 défi- inclined plates 96 and 98 arranged at 45. The tube 92 defi-
nit une ouverture horizontale 100 disposée au-dessus et dans l'alignement de la région du substrat destinée à recevoir nit a horizontal opening 100 disposed above and in alignment with the region of the substrate intended to receive
la goutte. De même, le tube 94 définit une ouverture horizon- drop. Similarly, the tube 94 defines a horizontal opening
tale 102 disposée également dans l'alignement et en vis-à- tale 102 also arranged in alignment and facing
vis de la région précitée. Au voisinage des ouvertures 100 et 102,les tubes 92 et 94 sont limités par des plaques inclinées 104 et 106, disposées à 45 . A l'intérieur du tube vertical 88 est placé, en regard de l'ouverture 90, un prisme (ou un miroir) 108 orientable autour d'un axe horizontal 110 au moyen de manettes 112, de manière à émettre un faisceau 114 vis the aforementioned region. In the vicinity of the openings 100 and 102, the tubes 92 and 94 are limited by inclined plates 104 and 106, arranged at 45. Inside the vertical tube 88 is placed, opposite the opening 90, a prism (or a mirror) 108 orientable around a horizontal axis 110 by means of levers 112, so as to emit a beam 114
qui peut être dirigé soit vers le haut soit vers le bas. which can be directed either upwards or downwards.
Dans le cas de la figure 8, on a représenté le faisceau 114 dans sa direction vers le haut. Le faisceau 114 est dévié à par un prisme 116 disposé à l'intersection des tubes 88 et 92 de manière à émettre un faisceau horizontal 118 dont la direction est déviée par un autre prisme 120. Ce prisme est disposé à l'intérieur du tube 92 et en regard de l'ouverture 100, de manière à émettre un faisceau primaire de lumière parallèle 122 dirigé verticalement et en direction de la goutte 12 et du substrat 10. Le réglage de la vertica- In the case of Figure 8, there is shown the beam 114 in its upward direction. The beam 114 is deflected by a prism 116 disposed at the intersection of the tubes 88 and 92 so as to emit a horizontal beam 118 whose direction is deflected by another prism 120. This prism is disposed inside the tube 92 and opposite the opening 100, so as to emit a primary beam of parallel light 122 directed vertically and in the direction of the drop 12 and the substrate 10. The adjustment of the vertical
lité du faisceau 122 est obtenu par-des vis 123 ou analogues qui traversent la plaque inclinée 104 et agissent sur le the beam 122 is obtained by screws 123 or the like which pass through the inclined plate 104 and act on the
support du prisme 120 pour modifier son orientation. support of the prism 120 to modify its orientation.
Bien entendu, deux autres prismes, analogues aux prismes 116 et 120, sont disposés respectivement à l'intersection du tube 88 et du tube 94 et à l'intérieur du tube 94 en Of course, two other prisms, similar to prisms 116 and 120, are disposed respectively at the intersection of the tube 88 and the tube 94 and inside the tube 94 in
regard de l'ouverture 102.look of the opening 102.
A la sortie du prisme 120,1e faisceau primaire 122 passe éventuellement à travers un diaphragme 125 avant d'être At the exit of the prism 120.1 primary beam 122 possibly passes through a diaphragm 125 before being
dirigé sur la goutte et le substrat. directed at the drop and the substrate.
Le substrat 10 peut être une plaque, par exemple une plaque de verre, présentant une surface plane et polie pour recevoir la goutte de liquide. Il peut être également-un substrat The substrate 10 may be a plate, for example a glass plate, having a flat and polished surface for receiving the drop of liquid. It can also be a substrate
solide, tel un film,ou un substrat liquide, tel un film li- solid, such as a film, or a liquid substrate, such as a thin film
quide non miscible avec le liquide constituant la goutte. which is immiscible with the liquid constituting the drop.
Dans la suite de la description détaillée, on supposera que In the following detailed description, it will be assumed that
le substrat est une plaque de verre. the substrate is a glass plate.
Dans lemode de réalisation de la figure 8, le faisceau pri- In the embodiment of FIG. 8, the main beam
maire 122 est réfléchi par la surface convexe de la goutte mayor 122 is reflected by the convex surface of the drop
12, qui agit comme miroir, pour renvoyer un faisceau secon- 12, which acts as a mirror, to return a secondary beam
daire 124 destiné à être intercepté sur une surface récep- Daire 124 intended to be intercepted on a receiving surface
trice.trice.
Une première surface réceptrice 126 en forme de calotte hé- A first receiving surface 126 in the form of a crown cap
misphérique centrée sur la goutte 12 est disposée au- center centered on the drop 12 is arranged above
dessus du substrat 42 de façon que sa ligne équatoriale soit placée à l'horizontale et vienne en appui sur le bâti 42. La position du substrat est réglée de telle manière que sa face supérieure soit dans le plan équatorial de la above the substrate 42 so that its equatorial line is placed horizontally and comes to bear on the frame 42. The position of the substrate is adjusted so that its upper face is in the equatorial plane of the
calotte hémisphérique.hemispherical cap.
Une deuxième surface réceptrice 128, également en forme de calotte hémisphérique centrée sur la goutte, est placée de A second receiving surface 128, also in the form of a hemispherical cap centered on the drop, is placed
telle manière que sa ligne équatoriale soit placée à l'ho- in such a way that its equatorial line is placed at the time
rizontale et en appui sous la face inférieure du bâti 42. horizontally and resting under the underside of the frame 42.
La surface réceptrice 126 en forme de calotte sphérique com- The receiving surface 126 in the form of a spherical cap comprises
porte un diamètre supérieur à,celui de la surface réceptrice 128, et toutes ces deux surfaces sont réalisées en une matiè- re diffusante et sont avantageusement munies de graduations permettant d'avoir directement l'ouverture angulaire du ou has a diameter greater than that of the receiving surface 128, and all these two surfaces are made of a diffusing material and are advantageously provided with graduations allowing the angular opening of the or to be directly
des faisceaux secondaires.secondary beams.
La surface 126 est reliée de façon étanche au bâti 42 par l'intermédiaire d'un joint torique 130 et elle peut être The surface 126 is tightly connected to the frame 42 by means of an O-ring 130 and it can be
enlevée du bâti grâce à des poignées 132. removed from the frame using handles 132.
La surface réceptrice 128 est également reliée de façon The receiving surface 128 is also connected in a manner
étanche au bâti par l'intermédiaire d'un joint torique 134. tight to the frame by means of an O-ring 134.
La surface 128 est normalement destinée à rester en place Surface 128 is normally intended to remain in place
sur le bâti mais peut être enlevée en cas de besoin. on the frame but can be removed if necessary.
Ces deux surfaces réceptrices 126 et 128, définissent ainsi These two receiving surfaces 126 and 128, thus define
autour de la goutte 12 une enceinte hermétique, ce qui per- around the drop 12 an airtight enclosure, which allows
met de maintenir la goutte de liquide en équilibre avec sa keeps the drop of liquid in balance with its
vapeur. A cet effet, une cuve 138 destinée à recevoir un sol- steam. For this purpose, a tank 138 intended to receive a soil-
vant pour saturer l'atmosphère à l'intérieur de l'enceinte est prévue dans l'épaisseur du bâti 42 et dans la région Vant to saturate the atmosphere inside the enclosure is provided in the thickness of the frame 42 and in the region
annulaire comprise entre l'ouverture 52 et la bordure péri- annular between the opening 52 and the perimeter
phérique de la surface réceptrice 126. La cuve 138 peut être vidangée grâce à un orifice de vidange obturé par un bouchon spherical of the receiving surface 126. The tank 138 can be drained thanks to a drain orifice closed by a plug
amovible 140.removable 140.
Si nécessaire, le dispositif peut comporter des moyens de If necessary, the device can include means for
chauffage pour porter le liquide de la goutte à une tempé- heating to bring the liquid from the drop to a temperature
rature supérieure à la température ambiante, de tels moyens de chauffage sont déjà connus et utilisés dans d'autres rature higher than room temperature, such heating means are already known and used in other
installations de mesure d'angles de contact. contact angle measurement systems.
Dans une variante de réalisation non représentée, le dispo- In an alternative embodiment not shown, the provision
sitif optique 86 pourrait être constitué par un simple bras coudé formé par la partie supérieure du tube 88 et par le optic sitive 86 could consist of a simple bent arm formed by the upper part of the tube 88 and by the
tube 92, qui serait monté pivotant =ouvor d'un axe horizon- tube 92, which would be pivotally mounted = opening of a horizontal axis-
tal dans le prolongement de la direction du faisceau 76 et du faisceau 84. Ce dispositif pourrait être alors amené dans deux positions différentes, à savoir une position au-dessus tal in the extension of the direction of the beam 76 and the beam 84. This device could then be brought into two different positions, namely a position above
du bâti et une position en dessous du bâti. of the frame and a position below the frame.
On notera également que le dispositif des figures 7 et 8 It will also be noted that the device of FIGS. 7 and 8
pourrait être équipé avec des surfaces réceptrices diffé- could be equipped with different receiving surfaces
rentes, en particulier avec des surfaces réceptrices du type écran plan ou écran cylindrique, comme décrit précédemment annuities, in particular with receiving surfaces of the flat screen or cylindrical screen type, as described above
en référence à la figure 1. Les surfaces réceptrices pour- with reference to Figure 1. The receiving surfaces for-
faient également faire partie d'un dispositif de détection are also part of a detection device
automatique, comme indiqué plus haut. automatic, as indicated above.
Les images montrées sur les figures 9 et 10 sont deux exem- The images shown in Figures 9 and 10 are two examples.
ples d'images réfractées obtenues avec un dispositif conforme à celui de la figure 8, mais en utilisant un écran plan du type plaque photographique, analogue à l'écran 32 de la figure 1, c'est-à-dire disposé en dessous du substrat et ples of refracted images obtained with a device conforming to that of FIG. 8, but using a flat screen of the photographic plate type, analogous to the screen 32 of FIG. 1, that is to say disposed below the substrate and
parallèlement à celui-ci.parallel to this one.
La figure 9 correspond au cas o l'aiguille 62 a été enlevée et o la goutte 12 a pris sa forme de calotte sphérique non perturbée. Si l'on considère cette image en partant de son centre, on peut distinguer: - un cercle sombre 142 correspondant à l'ombre projetée de la goutte, ce qui donne une image à l'échelle de la goutte; - un cercle brillant 144 correspondant à l'impact sur la FIG. 9 corresponds to the case where the needle 62 has been removed and where the drop 12 has taken its form of undisturbed spherical cap. If we consider this image starting from its center, we can distinguish: - a dark circle 142 corresponding to the projected shadow of the drop, which gives a scale image of the drop; - a brilliant circle 144 corresponding to the impact on the
plaque photographique du faisceau primaire de lumière laser. photographic plate of the primary beam of laser light.
On constate que, dans ce cas particulier, le diamètre du faisceau est environ trois fois celui de la goutte, ceci dépendant du diamètre du diaphragme réglable 125; - un carré 146 délimitant les bords d'un filtre de densité neutre, qui évite la surexposition du film par le faisceau laser transmis directement; It can be seen that, in this particular case, the diameter of the beam is approximately three times that of the drop, this depending on the diameter of the adjustable diaphragm 125; a square 146 delimiting the edges of a neutral density filter, which avoids overexposure of the film by the laser beam transmitted directly;
- une "image"réfractée et dilatée 148 de la goutte sessile. - a refracted and dilated "image" 148 of the sessile drop.
Cette image permet de mesurer directement le diamètre exté- rieur D' pour calculer l'angle 0" et ainsi l'angle de contact 6 (cf. figures 1 et 2). Les franges que l'on peut observer sont dues à une diffraction par les bords de la goutte et sont indépendantes de l'angle de contact réel au niveau de la ligne des trois phases. Ces franges ne doivent pas être confondues avec les franges d'interférence qui se produisent en raison de la combinaison de deux réflexions, respectivement This image makes it possible to directly measure the outside diameter D 'to calculate the angle 0 "and thus the contact angle 6 (cf. FIGS. 1 and 2). The fringes that can be observed are due to diffraction by the edges of the drop and are independent of the actual contact angle at the level of the line of the three phases. These fringes should not be confused with the interference fringes which occur due to the combination of two reflections, respectively
aux interfaces solide-liquide et liquide-vapeur. Elles peu- at the solid-liquid and liquid-vapor interfaces. They can-
vent être facilement supprimées en utilisant une lumière blanche parallèle, ce qui améliore légèrement la précision dans la détermination de D'. L'emploi d'une source de lumière can be easily removed using parallel white light, which slightly improves the accuracy in determining D '. The use of a light source
blanche nécessite toutefois un filtre anticalorique. white, however, requires a heat filter.
La figure 10 correspond au cas o l'aiguille 62 touche la goutte sessile. Le contact de la pointe de l'aiguille avec la FIG. 10 corresponds to the case where the needle 62 touches the sessile drop. The contact of the tip of the needle with the
goutte induit une déformation de la forme de calotte sphéri- drop induces deformation of the spherical cap shape
que de la goutte. En réalité, le liquide mouille la matière formant l'aiguille (acier inoxydable) et l'angle de contact avec l'aiguille est pratiquement nul. D'autre part, la forme de la goutte dans la région de contact avec le substrat solide est gouvernée par les énergies des trois interfaces et non pas par la forme de l'interface liquide-vapeur à only gout. In reality, the liquid wets the material forming the needle (stainless steel) and the contact angle with the needle is practically zero. On the other hand, the shape of the drop in the region of contact with the solid substrate is governed by the energies of the three interfaces and not by the shape of the liquid-vapor interface at
distance de la ligne des trois phases. distance from the line of the three phases.
Il apparaît donc que la région liquide au voisinage de la ligne de contact avec le solide reste non affectée par la It therefore appears that the liquid region in the vicinity of the line of contact with the solid remains unaffected by the
déformation de surface engendrée par la pointe de l'aiguille. surface deformation caused by the tip of the needle.
Le résultat final est donc que l'on peut faire la mesure avec l'aiguille en place. Toutefois,il faut noter que, dans cette géométrie, l'angle d'incidence entre le faisceau primaire, qui est vertical, et la normale à l'interface air-liquide varie de façon continue avec la position du faisceau. Il part de la véritable valeur 6 de l'angle de contact à la ligne des trois phases. Il décroît ensuite vers une valeur non nulle au point d'inflexion, dont la position The end result is therefore that we can make the measurement with the needle in place. However, it should be noted that, in this geometry, the angle of incidence between the primary beam, which is vertical, and the normal to the air-liquid interface varies continuously with the position of the beam. It starts from the true value 6 of the contact angle at the line of the three phases. It then decreases towards a nonzero value at the inflection point, whose position
dépend de l'ampleur de la perturbation induite par l'aiguil- depends on the magnitude of the disturbance induced by the needle
le. Passé ce point, il augmente à nouveau pour atteindre 90 the. After this point, it increases again to reach 90
la pointe de l'aiguille.the tip of the needle.
Les propriétés du faisceau réfracté suivent cette variation. The properties of the refracted beam follow this variation.
L'angle de réfraction prend une valeur 8", reliée à 8, à la ligne des trois phases, passe par une valeur minimum au point d'inflexion et augmente à nouveau à l'approche de la pointe de l'aiguille. Ceci explique l'image réfractée observée à The angle of refraction takes a value 8 ", connected to 8, at the line of the three phases, goes through a minimum value at the point of inflection and increases again when approaching the tip of the needle. This explains the refracted image observed at
la figure 10.Figure 10.
En dehors de l'ombre 150 de la goutte et de la projection Outside the shadow 150 of the drop and the projection
directe 152 du faisceau primaire laser sur la plaque photo- direct 152 of the primary laser beam on the photo plate
graphique, la lumière réfractée est concentrée en formant graphic, the refracted light is concentrated by forming
un halo 154 délimité par une frontière nette 156 du côté in- a halo 154 bounded by a sharp border 156 on the in-
térieur et par une ligne diffuse 158 du côté extérieur. térieur and by a diffuse line 158 on the outside.
Il est.taisé 'de comprendre, par des considérations d'optique géométrique, que la frontière nette correspond au point d'inflexion du profil de la goutte, et que la frontière It is easy to understand, by considerations of geometric optics, that the sharp border corresponds to the inflection point of the profile of the drop, and that the border
diffuse correspond à l'angle réfracté 6" le long de la péri- diffuse corresponds to the 6 "refracted angle along the peri
phérie de la goutte.gout of gout.
La comparaison entre les figures 9 et 10 montre que la posi- The comparison between Figures 9 and 10 shows that the posi-
tion de cette dernière ligne, comme indiqué par le diamètre tion of this last line, as indicated by the diameter
D', est rigoureusement équivalente à celle observée en l'ab- D ', is rigorously equivalent to that observed in the ab-
sence de contact entre la goutte et l'aiguille. Ceci confirme l'hypothèse que l'angle de contact O n'est pas modifié par la présence de l'aiguille. On en tire la conséquence que les contact between the drop and the needle. This confirms the hypothesis that the contact angle O is not modified by the presence of the needle. We draw the consequence that the
mesures peuvent être effectuées aussi bien en enlevant l'ai- measurements can be performed as well by removing the
guille ayant servi à poser la goutte qu'en laissant cette guille having served to put the drop that by leaving this
aiguille en place et en contact avec la goutte. needle in place and in contact with the drop.
Dans le cas des figures 9 et 10, on remarquera que les images In the case of Figures 9 and 10, it will be noted that the images
des gouttes sont pratiquement circulaires. De façon caracté- drops are practically circular. Characteristically
ristique, les fluctuations du diamètre de goutte ne dépassent ristic, the fluctuations in the drop diameter do not exceed
pas plus ou moins 2%.no more or less 2%.
Il peut toutefois se présenter des cas o la circularité est beaucoup plus faible. C'est l'un des avantages de l'invention However, there may be cases where the circularity is much lower. This is one of the advantages of the invention
qui permet d'obtenir des "images" nettement agrandies pour dé- which makes it possible to obtain clearly enlarged "images" for
tecter facilement des défauts de gouttes qui auraient autre- easily detect defects in drops which would otherwise-
ment échappé à l'attention de l'expérimentateur. Ceci permet d'écarter a priori des "images" pouvant conduire à des escaped the attention of the experimenter. This makes it possible to rule out a priori "images" which can lead to
mesures erronées.wrong measurements.
On se réfère maintenant aux figures 11 et 12 qui rassemblent des résultats de mesures d'angles de contact obtenues avec le procédé de l'invention, sur une série de n-alcanes liquides Reference is now made to FIGS. 11 and 12 which bring together results of contact angle measurements obtained with the method of the invention, on a series of liquid n-alkanes
(hexane à hexadecane) déposés sur des plaques de verre hydro- (hexane to hexadecane) deposited on hydro glass plates
phobes et/ou sur des plaques de polytétrafluoroéthylène. phobes and / or on polytetrafluoroethylene plates.
Pour ces expériences, on a utilisé des alcanes du commerce du meilleur degré de pureté disponible (pureté supérieure à 99%) et on les a utilisés sans autre purification. On a utilisé comme substrat des plaques de verre de microscope disponibles dans le commerce. Après nettoyage soigneux avec un détergent et de l'acide sulfochromique et après rinçage, ces plaques ont été recouvertes d'une mono-couche de n-hexadécanol préalablement recristallisé dans l'acétate d'éthyle. Les alcools réagissent avec les groupes hydroxyles For these experiments, commercial alkanes of the highest degree of purity available (purity greater than 99%) were used and used without further purification. Commercially available microscope glass plates were used as the substrate. After careful cleaning with a detergent and sulfochromic acid and after rinsing, these plates were covered with a single layer of n-hexadecanol previously recrystallized from ethyl acetate. Alcohols react with hydroxyl groups
de surface acide de la silice pour former des liaisons cova- acid surface of silica to form cova-
lentes Si-O-C-X avec libération d'eau. Ces liaisons sont tout à fait stables à la fois thermiquement et chmiquement. La surface hydrophile de la silice est alors remplacée par une slow Si-O-C-X with water release. These bonds are completely stable both thermally and chemically. The hydrophilic surface of the silica is then replaced by a
surface externe dense de groupes méthylène, qui est hydro- dense external surface of methylene groups, which is hydro-
phobe. Ceci est mieux mis en évidence par l'angle de contact élevé présenté par des gouttelettes d'eau déposées sur phobic. This is best demonstrated by the high contact angle presented by water droplets deposited on
cette surface.this surface.
Comme substrat, on a également utiiis des laques de poly- Polyurethane lacquers were also used as the substrate.
tétrafluoroéthylène du commerce. La finition de surface de ces plaques a été progressivement améliorée en utilisant commercial tetrafluoroethylene. The surface finish of these plates has been gradually improved using
du papier de verre d'un grain de plus en plus fin. Toute- sandpaper with an increasingly fine grain. Any-
fois, ceci a été insuffisant pour garantir de bonnes condi- tons de surface. En conséquence, cette opération a été complétée en chauffant la matière plastique à 200 C pendant plusieurs heures tout en la pressant entre deux surfaces this has been insufficient to guarantee good surface conditions. Consequently, this operation was completed by heating the plastic material at 200 C for several hours while pressing it between two surfaces.
planes de bonne qualité optique.planes of good optical quality.
Dans ces expériences, les gouttes de liquide ont été déposées sur les plaques en utilisant des aiguilles hypodermiques reliées à une microseringue comme montré précédemment sur la figure 8. L'évaporation de solvant a été minimisée en enfermant l'ensemble dans une enceinte étanche saturée par la vapeur de solvant. Les photographies des images réfléchies ou réfractées ont été prises après un intervalle de temps de à 20 secondes pour permettre l'équilibre mécanique de la In these experiments, the drops of liquid were deposited on the plates using hypodermic needles connected to a microsyringe as shown previously in FIG. 8. The evaporation of solvent was minimized by enclosing the whole in a sealed enclosure saturated with solvent vapor. Photographs of the reflected or refracted images were taken after a time interval of from 20 seconds to allow the mechanical balance of the
goutte sur son substrat.drop on its substrate.
Les mesures effectuées sur les séries de n-alcanes ont été généralement démarrées à partir des homologues inférieurs étant donné qu'ils sont plus volatiles et plus faciles à éliminer. Entre chaque expérience sur un alcane particulier, le substrat, la seringue et l'aiguille ont été soigneusement nettoyés à l'acétone ou au toluène. Pour chacun des liquides, l'angle de contact mesuré a été la moyenne d'au moins The measurements made on the n-alkane series were generally started from the lower counterparts since they are more volatile and easier to eliminate. Between each experiment on a particular alkane, the substrate, the syringe and the needle were carefully cleaned with acetone or toluene. For each liquid, the contact angle measured was the average of at least
mesures indépendantes sur des gouttes successives. independent measurements on successive drops.
Avec un tel procédé, la précision absolue (y compris la With such a method, the absolute precision (including the
reproductibilité) a été de plus ou moins 0,25 sur l'inter- reproducibility) was plus or minus 0.25 on the inter-
valle angulaire expérimenté. Les données obtenues pour les différents alcanes sont représentées sur les figures 11 et 12 respectivement pour le polytétrafluoroéthylène (PTFE) experienced angular valley. The data obtained for the different alkanes are shown in Figures 11 and 12 respectively for polytetrafluoroethylene (PTFE)
et les substrats en verre hydrophobe. and hydrophobic glass substrates.
En référence à la figure 11, on a reporté les variations du cosinus de l'angle de contact 0 en fonction de la tension yLV à l'interface liquidevapeur du liquide pur. Ces mesures With reference to FIG. 11, the variations of the cosine of the contact angle 0 have been reported as a function of the voltage yLV at the liquid-vapor interface of the pure liquid. These measures
ont été effectuées pour une série de n-alcanes à-la tempé- were performed for a series of n-alkanes at-the-temperature
rature ambiante (22 C). Sur le graphique, C6 représente. ambient rature (22 C). On the graph, C6 represents.
l'hexane, C16 l'hexadécane, etc. La surface solide est une plaque en polytêtrafluoroéthylène polie de la façon décrite précédemment. Les croix correspondent aux mesures effectuées hexane, C16 hexadecane, etc. The solid surface is a polytetrafluoroethylene plate polished as described above. The crosses correspond to the measurements made
selon l'invention, tandis que les cercles pleins correspon- according to the invention, while the solid circles correspond to
dent à des données antérieures, avec des limites d'erreur de dent in previous data, with error limits of
plus ou moins 2-.more or less 2-.
Par une procédure de moindres carrés, on a pu obtenir: cos 8 = - 0,031 LV + 1,555 On en déduit que la valeur LV pour laquelle cos 6 = 1 est 18, 0 + 0,2 dynes cm. Cette valeur est d'une importance particulière car elle définit la tension de surface minimum en dessous de laquelle un liquide pur s'étale spontanément, Using a least squares procedure, we could obtain: cos 8 = - 0.031 LV + 1.555 We deduce that the value LV for which cos 6 = 1 is 18, 0 + 0.2 dynes cm. This value is of particular importance because it defines the minimum surface tension below which a pure liquid spreads spontaneously,
c'est-à-dire qu'il forme un angle de contact nul. that is, it forms a zero contact angle.
Les valeurs ainsi obtenues sont en bon accord avec la littérature. En référence à la figure 12, on a reporté les variations de The values thus obtained are in good agreement with the literature. With reference to FIG. 12, the variations of
cos O en fonction de la tension YLV à l'interface liquide- cos O as a function of the voltage YLV at the liquid interface-
vapeur pour le undécane (C11), le dodécane (C12), le tétra- steam for undecane (C11), dodecane (C12), tetra-
décane (C14) et l'hexadécane (C16) à la température ambiante (20 C). Les croix correspondent aux mesures effectuées selon l'invention. Dans le cas o la surface solide est une plaque de verre de borosilicate recouverte par une mono-couche d'hexadécanol, on trouve par une procédure de moindres decane (C14) and hexadecane (C16) at room temperature (20 C). The crosses correspond to the measurements carried out according to the invention. In the case where the solid surface is a borosilicate glass plate covered by a single layer of hexadecanol, we find by a procedure of least
carrés que cos O = - 0,042 yLV + 1,97. squares that cos O = - 0.042 yLV + 1.97.
On en déduit que la valeur de pour laquelle cos e = 1, est de 23,3 - 0,3 dynes cm 1 Sur le même graphique, les cercles pleins correspondent à des données antérieures avec des limites d'erreur de plus ou moins 2%. La surface solide utilisée est une plaque de We deduce that the value of for which cos e = 1, is 23.3 - 0.3 dynes cm 1 On the same graph, the solid circles correspond to previous data with error limits of plus or minus 2 %. The solid surface used is a plate of
platine couverte par une mono-couche d'octadécyl-amine. platinum covered by a mono-layer of octadecylamine.
Dans les deux surfaces, la couche la plus eXtérieure est In both surfaces, the outermost layer is
une concentration dense de groupes méthyle. a dense concentration of methyl groups.
Les valeurs expérimentales obtenues en mettant en oeuvre le The experimental values obtained by implementing the
procédé de l'invention sont en parfait accord avec les va- process of the invention are in perfect agreement with the values
leurs de la littérature. Ces expérimentations confirment le bien-fondé du procédé de l'invention et soulignent également les avantages qu'il permet d'atteindre, avantages qui ont their literature. These experiments confirm the validity of the process of the invention and also underline the advantages which it makes it possible to achieve, advantages which have
été indiqués au début de la description. have been indicated at the beginning of the description.
Dans le dispositif décrit en référence aux figures 7 et 8, le porteéchantillon-56 est prévu pour un substrat solide du type plaque de verre. On peut cependant, pour chaque type In the device described with reference to Figures 7 and 8, the sample holder-56 is provided for a solid substrate of the glass plate type. We can however, for each type
particulier de substrat solide ou de substrat liquide, pré- particular solid substrate or liquid substrate, pre-
voir un porte-échantillon adapté capable d'être monté, par exemple par vissage,dans le bâti 42. Le dispositif peut être ainsi adapté immédiatement à des substrats de nature très différente. see a suitable sample holder capable of being mounted, for example by screwing, in the frame 42. The device can thus be adapted immediately to substrates of very different nature.
Bien que, dans la présente description, on ait indiqué que Although, in the present description, it has been indicated that
le faisceau secondaire est intercepté sur une surface récep- the secondary beam is intercepted on a receiving surface
trice en donnant une image lumineuse, il doit être entendu qu'il ne s'agit pas d'une véritable image de la goutte,mais plutôt d'une représentation ou carte angulaire du pourtour de la goutte. A ce sujet, il faut noter que la détection des By giving a bright image, it should be understood that this is not a true image of the drop, but rather a representation or angular map of the periphery of the drop. In this regard, it should be noted that the detection of
défauts éventuels de la goutte,dont on mesure l'angle de con- possible gout defects, the angle of which is measured
tact, ne provient pas du tout de la dimension de cette repré- tact, does not come at all from the dimension of this representation
sentation ou carte anglaire. En effet, même si cette repré- sentation or English card. Indeed, even if this representation
sentation est réduite à-unè dimension comparable à celle de la goutte, le défaut éventuel sera toujours beaucoup plus feeling is reduced to a dimension comparable to that of gout, the possible defect will always be much more
apparent que sur la goutte elle-même. apparent only on gout itself.
On notera qu'un défaut invisible pour un observateur attentif avec les procédés de détermination habituels, devient évident It will be noted that an invisible defect for an attentive observer with the usual methods of determination, becomes obvious
avec le procédé de la présente invention. with the method of the present invention.
257418t257418t
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